Mesure du Hamiltonien d'un ordinateur quantique et applications pour la simulation quantique

Measurements of the Hamiltonians of quantum computers and applications to analogue quantum simulation

• Auteur / Autrice : William Lam
• Direction : Robert Whitney, Benoît Vermersch
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique et de Modélisation des Milieux Condensés

Mots clés

Mots clés libres

Information quantique

Intrication

Certification

Simulation quantique

Ordinateur quantique

Entanglement

Quantum information

Quantum simulation

Certification

Quantum computing

Résumé

Nous espérons que les ordinateurs quantiques seront capables à long terme de résoudre des problèmes pratiques à l'aide d'algorithmes quantiques. Dans le modèle du circuit quantique, les algorithmes quantiques fonctionnent à l'aide de portes quantiques agissant généralement sur un ou deux qubits seulement. La réalisation d'algorithmes quantiques tolérants aux fautes est cependant un défi technologique de taille pour la science quantique. Le but de ce projet est d'étudier la possibilité d'utiliser plus directement les ordinateurs quantiques (imparfaits) existants. Nous considérerons une situation où de nombreux qubits interagissent simultanément par le biais d'un hamiltonien (au lieu de portes quantiques). Ce scénario est pertinent pour la simulation quantique de systèmes quantiques hors équilibre. Nous allons en particulier tirer parti des possibilités de mesure uniques offertes par les ordinateurs quantiques pour caractériser ce système par le biais de mesures du Hamiltonien et de l'intrication quantique. Le projet de doctorat se compose de deux parties : La première partie concerne la mesure du Hamiltonien d'un ordinateur quantique à qubits supraconducteurs. Nous développerons et mettrons en œuvre expérimentalement un protocole du mesure de ce Hamiltonien. La deuxième partie consiste à étudier théoriquement et expérimentalement la croissance de l'intrication. Afin d'accéder aux entropies d'intrication, nous utiliserons (et améliorerons) la boîte à outils de mesures aléatoires qui a été en partie développée au LPMMC. Le projet combine la théorie de l'information quantique et les aspects expérimentaux des technologies quantiques.

We hope that quantum computers will be able in the long term to solve practical problems using quantum algorithms. In the quantum circuit model, quantum algorithms operate using quantum gates acting typically on or two qubits only. The realization of fault-tolerant quantum algorithms is however an outstanding technological challenge for quantum science. The goal of this project is to study the possibility to use existing imperfect quantum computers more ‘directly', having in mind quantum simulation. Instead of implementing one or two qubit gates, we would like to consider a situation where many qubits interact simultaneously via a Hamiltonian. This scenario is relevant for the quantum simulation of out-of-equilibrium quantum systems. We will in particular take advantage of the unique measurement possibilities offered by quantum computers to access entanglement entropies, which can characterize universal features of quantum thermalization. The PhD project consists of two parts: The first part deals with the measurement of the Hamiltonian of a superconducting qubit quantum computer in a cross-resonance architecture. We will implement the protocol of Hamiltonian learning. The second part consists in studying theoretically and experimentally the entanglement growth generated by the Hamiltonian. In order to access entanglement entropies, we will use (and improve) the randomized measurement toolbox that has been in part developed at LPMMC. The project combines quantum information theory and experimental aspects of quantum hardware.